寒地水稻叶片SPAD值与稻米蛋白质含量的关系

2023-10-10王志君李红宇夏玉莹范名宇赵海成鲁洁婷赵朝勇郑桂萍

干旱地区农业研究 2023年5期

王志君,李红宇,2,3,夏玉莹,范名宇,2,3,赵海成,2,3,鲁洁婷,赵朝勇,郑桂萍,2,3

(1.黑龙江八一农垦大学农学院,黑龙江大庆 163319;2.农业农村部东北平原农业绿色低碳重点实验室,黑龙江大庆 163319;3.黑龙江八一农垦大学,黑龙江省现代农业栽培技术与作物种质改良重点实验室,黑龙江大庆 163319)

蛋白质的含量及构成是影响稻米食味品质的重要因素[1-2],一般认为稻米的食味值评分与蛋白质含量呈现负相关关系,即在一定范围内,稻米蛋白质含量越高食味值越低[3-5]。传统的氮含量检测常采用凯氏定氮法,该方法不仅用时长,而且后期需要破坏性取样,致使检测工作较为繁杂、时效性较差[6]。因此,收获前对稻米蛋白质含量进行快速无损检测能够满足水稻分级分类收获的要求,在水稻优质生产中具有重要意义。

SPAD叶绿素仪可以通过测量叶片在波长650 nm和峰值波长940 nm内的透光系数而快速、实时测定叶片叶绿素的相对含量[7],大量研究结果表明植株叶片含氮量与SPAD值呈正相关关系[8-11],且与籽粒蛋白质含量具有一定的相关性[12-14]。由此推测SPAD 值的变化能够反映出叶片和收获籽粒的氮素营养状况。张丽等[15]在SPAD值与玉米籽粒蛋白质含量关系的研究中,发现利用叶片SPAD递减值可以快速检测出玉米成熟期籽粒蛋白质含量,并建立了相关模型。田永超等[16]针对小麦的研究发现,借助叶片SPAD值可以预测出单位面积上小麦籽粒生长过程中蛋白质的积累动态。王志东等[17]的研究认为籼稻稻米的蛋白质含量与蜡熟期和黄熟期剑叶SPAD值呈极显著负相关,而与始穗期、齐穗期和乳熟期剑叶SPAD值相关性不显著。作物品种之间或同一品种植株的不同氮素状态会造成氮素基础值不同[18],致使SPAD诊断结果存在差异。因此,计算归一化SPAD等衍生指标作为诊断依据是非常必要的。前人通过构建 SPADL4×L3/mean[19]、SPADL1-L3/SPADL1+L3[20]、SPADL1-L3/SPADL3[21]等指标进行植株氮素诊断,但在 SPAD 值测定理想指示叶位的选择存在较多分歧,如李刚华等[22]研究认为可以利用顶3叶SPAD值判断水稻氮素营养状况,而凌启鸿等[23]研究表明顶 4 叶和顶 3 叶的SPAD差值能更好地反映水稻氮素营养状况。

前人关于SPAD估测籽粒蛋白质含量的试验设计多为研究不同氮素水平或不同环境中的水稻冠层叶片氮含量差异所导致的蛋白质含量的差异,从而建立估测模型,而水稻品种之间或同一品种植株的不同氮素状态、水稻品种之间基因型差异所导致的叶片颜色、氮肥利用率不同等因素均会造成叶片SPAD采集误差,致使研究结果稳定性较差。

本研究对不同施氮量以及多品种试验的不同叶位SPAD构建归一化 SPAD 指数(SPADij, INDSPADij),分析了不同叶位的归一化 SPAD 指数与稻米氮素营养之间的定量关系,通过不同叶位SPAD值及其衍生指标与稻米氮素营养状况的相关性高低更能判定稻米氮质量分数的叶位,并应用归一化SPAD值估算的稻米氮质量分数与真实值做比较进行指标验证,从而筛选有效指标快速精确地判定稻米蛋白质含量,以期为稻米蛋白质含量的早期预测和调控提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地点及材料

试验于2020—2021年在黑龙江省大庆市(黑龙江八一农垦大学、大庆市王家围子村)以盆栽试验与大田试验相结合的形式进行。该区年日照时数2 726 h,无霜期143 d,年平均气温4.2℃,夏季平均气温23.3℃,农作物生长发育期气温日差达10℃以上,年降水量427.5 mm,年蒸发量163.5 mm,属半干旱地区。盆栽试验所用盆钵高30 cm,上直径30 cm,下直径25 cm,每盆装黑钙土12 kg,每处理12盆。大田试验小区面积2 m×2 m=4 m2,共计20个小区,大田土壤为盐碱土。黑钙土与盐碱土土壤理化性质如表1所示。

表1 土壤养分状况Table 1 Soil nutrient status

1.2 试验设计

1.2.1 2020年试验设计

试验1:氮肥试验

氮肥盆栽试验于黑龙江八一农垦大学校内盆栽场进行,参试品种为稻花香2号,叶龄n=14。试验采用二因素完全随机试验设计,A因素为前中期氮肥施入量(基肥、分蘖肥、调节肥),8水平,氮肥施用量分别为0(A1)、51.72(A2)、103.45(A3)、155.17(A4)、206.90(A5)、258.62(A6)、310.35(A7)、362.07(A8)kg·hm-2,按基肥∶蘖肥∶调节肥=4∶3∶1施用;B因素为后期氮肥施入量(穗肥),3水平,氮肥施用量分别为0(B1)、51.72(B2)、103.45(B3)kg·hm-2。各处理施肥方式见表2。氮肥采用尿素(含N 46.4%),磷肥采用过磷酸钙(含P2O516%),过磷酸钙用量为139.54 kg·hm-2,100%作为基肥。钾肥采用硫酸钾(含K2O 50%),硫酸钾用量为120.00 kg·hm-2,分2次施用,基肥和穗肥各占50%,即1∶1。其中基肥搅浆时一次性施用,分蘖肥分2次施用,叶龄4.1～4.5时第一次施用分蘖肥的75%, 叶龄5.1～5.5时第二次施用分蘖肥的25%,调节肥在倒4叶伸长期施用,穗肥在倒2叶伸长期施用。该试验资料用于建立模型。

表2 试验处理的氮肥施用量/(kg·hm-2)Table 2 Nitrogen application rate of experimental treatments

试验2:品种试验

品种盆栽试验于校内盆栽场进行,采用单因素完全随机试验设计,供试品种分别为C1:松粳22(主茎14片叶)、C2:松粳16(主茎14片叶)、C3:龙稻203(主茎13片叶)、C4:垦粳8号(主茎13片叶)、C5:龙粳21(主茎12片叶)、C6:三江6号(主茎12片叶),各品种特征特性如表3所示。氮肥施用按照基肥∶分蘖肥∶调节肥∶穗肥=4∶3∶1∶2进行,依据本地水稻高产栽培技术进行施用,氮肥总施入量为258.62 kg·hm-2,氮肥、磷肥和钾肥施用种类和施用时间同试验1。该试验资料用于建立模型。

表3 品种特征特性Table 3 Characteristics of the varieties

1.2.2 2021年试验设计

试验3:大田试验

在重复2020年试验1、2的基础上增加大田试验3。大田试验于大庆市王家围子村进行,采用单因素完全随机试验设计,供试品种分别为绥粳27(主茎11片叶,香稻)、龙粳31(主茎11片叶),每品种10个小区。氮肥按照基肥∶分蘖肥∶调节肥∶穗肥=4∶3∶1∶2施用,依据本地(苏打盐碱地)水稻高产栽培技术进行,氮肥总施入量为258.62 kg·hm-2,氮肥、磷肥和钾肥施用种类和施用时间同试验1。该试验资料用于检测模型。

试验1～3均于4月10日浸种,4月18日播种,5月10日搅浆,5月20日(秧苗叶龄为3.1)移栽。盆栽试验每桶4穴,每穴3苗。大田试验穴距为15 cm,行距为30 cm,其他管理措施按照当地水稻高产栽培技术进行。

为排除品种差异对试验结果的影响,本研究选取了当地水稻种植面积相对较大、叶龄不同、同一叶龄品种香味特性不同的水稻品种进行试验。利用试验1、2的数据建立SPAD与稻米蛋白质含量的相关模型,于大田试验3中对基于SPAD模型计算出稻米蛋白质含量的预测值和真实值进行比较,验证模型在不同时空下的敏感性和稳定性,以排除环境差异对试验的干扰。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 SPAD值测定水稻主茎顶 1、顶 2、顶 3 叶及顶 4 叶的 SPAD值都被用于水稻氮素研究,但是顶 4 叶出现较晚且位置较低,易被稻田水浸蚀。因此,本次研究选取水稻顶1、顶2、顶3叶作为研究对象,于天气晴朗时,采用叶绿素仪SPAD-502(Konica minolta,日本)分别测定拔节期(T1)、孕穗期(T2)和齐穗期(T3)主茎顶部3张全展叶片的SPAD值。测量部位为主茎叶片上部(近叶尖1/3处)、中部(叶片中间位置)、基部(近叶基1/3处)和叶宽1/4或3/4的位置3部分,其平均值为所测叶片的SPAD值。测量时叶片置于叶片夹的叶室中,避开主叶脉,然后夹紧叶片,保证叶片水平且被测面积相同,避免背景反射、叶片表面弯曲等造成的光谱波动及叶片内部变异造成的影响。每个处理(小区)标定测量24穴,每穴测定3个主茎,共计72个主茎。

1.3.2 食味品质测定每处理标定24穴水稻收获后各自脱粒(与SPAD值相对应),于通风阴干处晾晒3个月,待理化性质稳定后,用小型碾米机把稻谷加工为精米。每穴称取10 g精米,按米水质量比1∶1.2将精米隔水蒸煮成米饭。采用日本佐竹公司生产的米饭食味计(SATA1B)测定米饭综合食味值,重复3次其平均值为该穴食味值(无氮区A1B1产量不够,则每穴重复2次)。

1.3.3 蛋白质含量测定用自动凯氏定氮仪法测定精米的蛋白质含量[24]。每穴称取1.5 g精米粉,分别注入250 mL消化管中,注入12 mL浓硫酸及7 g K2SO4和0.8 g CuSO4·5H2O的混合催化物,420℃下消化1 h后,用全自动凯氏定氮仪(Kjeltec8400,FOSS公司,丹麦)测定米粉含氮量,再乘以换算系数5.95,重复4次,其平均值为该穴蛋白质含量。

1.3.4 SPAD值衍生指标除水稻顶部3片叶(L1、L2、L3)SPAD值外,本试验采用了5种SPAD值衍生指标,衍生指标通过某种数学关系计算而得,计算过程分别为:

SPADn=顶部n张叶片SPAD的均值

SPADLi-Lj=顶i叶SPAD值-顶j叶SPAD值;

SPAD(Li-Lj)/Li=(顶i叶SPAD值-顶j叶SPAD值)/顶i叶SPAD值

SPADLi×Lj/mean=顶i叶SPAD值×顶j叶SPAD值/i、j两张叶片平均SPAD值

INDSPADij:SPADij=(SPADL i-SPADL j)/(SPADLi+SPADLj)

其中,SPADLi和SPADLj分别代表水稻冠层主茎第i和j叶位的SPAD值(i,n,j≤3),L1、L2、L3分别为顶部第1、2、3张全展叶。

1.4 SPAD数据处理

采用Excel 2019和SPSS 26统计软件对数据进行整理及统计分析, Origin 2018 64bit进行绘图作业,利用试验1和试验2的数据资料分析SPAD以及衍生指标与精米蛋白质含量的相关关系,并建立模型。模型的准确性和适用性采用试验3的数据资料,利用预测值和实测值的预测精度(P-k)、根均方差(RMSE)及对称平均绝对百分比误差(SMAPE)等指标进行评定。

预测精度(P-k):真实值与预测值回归方程的斜率与真实值等于预测值的回归方程斜率1之间差的绝对值,P-k越小,预测精度越高。

RMSE越小,预测精度越高。

SMAPE越小,预测精度越高。

2 结果与分析

2.1 处理间蛋白质含量的比较

两年间施氮量对稻米蛋白质含量及食味值影响的结果如表4所示,在A水平下,A因素对稻米的蛋白质含量和食味值的影响在两年间均达到极显著水平,均以A1水平蛋白质含量最低,食味值最高;A8水平蛋白质含量最高,食味值最低。2020年A8水平蛋白质含量较A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7水平分别极显著增加34.55%、27.44%、26.39%、22.19%、18.07%、14.39%、12.23%;A8水平食味值较A1～A7水平分别极显著降低8.10%、5.06%、4.99%、4.10%、3.45%、2.96%、2.28%。2021年稻米蛋白质含量大小、食味值大小与2020年数据表现为同等趋势,蛋白质含量大小关系为A1A2>A3>A4>A5>A6>A7>A8。因此,在水稻前期生长增施氮肥会提高稻米的蛋白质含量,降低食味值评分。在B水平中,两年间B因素对稻米的蛋白质含量和食味值的影响均为极显著水平,以B1水平蛋白质含量最低,食味值最高; B3水平蛋白质含量最高,食味值最低。因此,提高氮肥在穗肥中的比例会促进稻米蛋白质含量的增加而降低其食味值评分。

表4 施氮量对稻米蛋白质含量及食味值的影响Table 4 Effects of nitrogen application rate on protein content and taste value of rice

综上,在水稻生长过程中,增加氮肥的施入量会提高稻米的蛋白质含量并降低食味值,食味值与蛋白质含量呈现一定的负相关关系。

对年均蛋白质含量与施氮量进行回归,如图1所示。在B1、B2、B3下,均以A1水平蛋白质含量最低,A8水平最高。在B1下,与A8蛋白质含量相比, A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7分别降低27.78%、21.81%、19.03%、14.86%、12.50%、11.11%、7.64%。在B2下,与A8水平相比,A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7分别降低28.66%、26.11%、25.48%、16.56%、15.29%、14.01%、10.45%。B3下,与A8水平蛋白质含量相比,A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7分别降低24.50%、21.66%、18.94%、15.47%、14.23%、12.38%、11.14%。因此,在不同的穗肥下,稻米蛋白质含量与施氮量呈现线性增加的关系,B1、B2、B3下蛋白质含量与施氮量回归方程的R2(拟合优度)分别为0.92**、0.96**、0.96**。

注:*、**分别表示差异显著(P<0.05)、极显著(P<0.01),下同。Note:* and ** indicate significant (P<0.05) and extremely significant (P<0.01) differences ,respectively. The same below.图1 不同穗肥下施肥量与蛋白质含量的关系Fig.1 Relationship between fertilization amount and protein content under different panicle fertilizers

两年间6个品种的蛋白质含量及食味值的测定结果相似,以2021年的数据为例(图2)。结果表明,6个品种之间的蛋白质含量、食味值差异较大,其中C1蛋白质含量最低,食味值最高,C6蛋白质含量最高,食味值最低。6个品种蛋白质含量由高到低的顺序为C6>C5>C2>C3>C4>C1,C6蛋白质含量较C5、C2、C3、C4、C1分别极显著提高2.99%、5.04%、10.43%、12.23%、15.63%,食味值由高到低的顺序为C1>C4>C3>C2>C5>C6,C6食味值较C5、C2、C3、C4、C1分别极显著降低1.17%、2.89%、3.54%、7.93%、12.09%。由此可知,不同品种的稻米蛋白质含量及食味值差异较大,蛋白质含量较低的品种其食味值较高。

注:数据后不同小、大写字母分别表示同一试验因素不同处理间差异显著(P<0.05)、极显著(P<0.01)。Note: Different lowercase and uppercase letters indicate significant (P<0.05) and extremely significant (P<0.01) differences among treatments under the same experimental factor, respectively.图2 不同品种稻米的蛋白质含量及食味值比较Fig.2 Comparison of protein content and taste value in grains of different varieties

2.2 蛋白质含量与食味值的关系

如图3所示,食味值与蛋白质含量呈线性递减关系,即稻米蛋白质含量越高,水稻食味值评分越低。线性回归方程的拟合优度R2=0.93**,达到极显著水平。

图3 蛋白质含量与食味值的关系Fig.3 Relationship between protein content and taste value

2.3 叶片SPAD值的比较

2.3.1 氮肥试验中水稻叶片SPAD值的比较如图4所示,在施氮量A的影响下,水稻顶部3片叶SPAD值与施氮量呈线性正相关,即随着施氮量的增加,叶片SPAD值亦增加,SPAD值与施氮量的回归方程R2分别为0.98**、0.96**、0.98**,达到极显著水平。各施氮水平下,水稻顶部3片叶SPAD表现出L2>L1>L3的关系。

图4 T1时期施氮量与顶部叶片SPAD值的关系Fig.4 Relationship between nitrogen application rate and SPAD value of top leaves during T1 period

图5结果表明,不同穗肥下,T2时期水稻顶部3片叶的SPAD值与施氮量呈线性正相关,其回归方程R2均达到极显著水平。在B1、B2、B3下,3张叶片SPAD值大小关系均为:L2>L1>L3, B2、B3水平顶部3片叶SPAD值高于B1。

图5 T2时期不同穗肥下施氮量与顶部叶片SPAD值的关系Fig.5 Relationship between nitrogen fertilization rate and SPAD value of top leaves under different panicle fertilizers during T2 period

在图6中,T3时期3张叶片SPAD值大小关系为:L1>L2>L3,顶一叶的SPAD值为最高值,不同叶片SPAD值与施氮量表现为线性正相关,回归方程的R2为极显著水平。在同等施氮量下,T3时期的叶片SPAD值表现出略高于T2时期的趋势。

图6 T3时期不同穗肥下施氮量与顶部叶片SPAD值的关系Fig.6 Relationship between nitrogen fertilization rate and SPAD value of top leaves under different panicle fertilizers during T3 period

综上,在T1～T2时期水稻顶部叶片SPAD值呈现降低趋势,T2～T3时期水稻顶部叶片SPAD值动态升高。由此可知,水稻顶部叶片在T1～T3时期经历了“黑-黄-黑”叶色交替现象,且不同时期水稻顶部叶片SPAD值分布规律差异较大,但与施氮量均表现出线性关系。提高氮肥投入量使叶位之间的SPAD值差值减小,在T2和T3时期变化更为明显。

2.3.2 不同水稻品种冠层叶片SPAD值的比较在图7中,6个供试品种在T1时期顶部3片叶SPAD值大小关系均为:L2>L1>L3。在T2时期,品种C1和C2顶部3片叶SPAD值大小关系为:L2>L1>L3,品种C3、C4 、C5和C6 顶部3片叶SPAD值大小关系为L2>L3>L1。T3时期5个供试品种顶部3片叶SPAD值大小关系均为L1>L2>L3。由此可知,6个供试品种在T1、T2时期均为功能叶顶2叶SPAD值最高,在T3时期以功能叶顶一叶SPAD值最高。不同品种SPAD值在T1～T2时期呈现动态下降趋势,在T2～T3时期表现为动态上升。由此可知,不同水稻品种顶部叶片SPAD值分布规律及数值有较大差异,但不同水稻品种在T1～T3时期会出现 “黑-黄-黑”叶色交替现象。

图7 不同品种不同时期顶部叶片SPAD值的比较Fig.7 Comparison of SPAD values in top leaves of different varieties at different stages

2.4 叶片SPAD值及其衍生指标与蛋白质含量的关系

利用试验1和试验2的两年数据对顶部3片叶SPAD值与稻米蛋白质含量相关性分析进行指标筛选,表5结果显示,在氮肥梯度试验中,3个时期下单片叶SPAD值与蛋白质含量相关性均达到极显著相关,而在品种试验中单片叶的SPAD值与其蛋白质含量的相关性未能达到显著水平。由此可知,借助单片叶SPAD值进行蛋白质含量预测受品种差异的影响具有一定困难。借助衍生指标筛选的结果显示,在3个生育时期共选出3个指标SPAD(L1+L2+L3)/3、SPADL2×L3/mean、SPADL1×L2×L3 /mean,其中SPAD(L1+L2+L3)/3在氮肥试验中3个时期的相关系数分别为0.81**、0.83**、0.81**,在品种试验中相关系数分别为0.85**、0.85**、0.86**。SPADL2×L3/mean在氮肥试验中3个时期的相关系数分别为0.81**、0.82**、0.82**;在品种试验中相关系数分别为0.84**、0.82**、0.86**。SPADL1×L2×L3/mean在氮肥试验中3个时期的相关系数分别为0.70*、0.83**、0.84**,在品种试验中R2分别为0.72*、0.78*、0.89**。3个指标与蛋白质含量均呈现正相关关系。

表5 顶部叶片SPAD值及其衍生指标与蛋白质含量的相关性分析Table 5 Correlation analysis of canopy leaf SPAD and its derivative indexes and protein content

对表5筛选的指标进行回归分析,结果如表6所示,不同时期的衍生指标SPAD(L1+L2+L3)/3、SPADL2×L3/mean、SPADL1×L2×L3/mean与蛋白质含量拟合方程均为线性关系,SPAD(L1+L2+L3)/3在3个时期的R2分别为0.75**、0.74**、0.72**,SPADL2×L3/meanR2分别为0.75**、0.72**、0.72**,SPADL1×L2×L3/meanR2分别为0.76**、0.77**、0.77**,均达到极显著水平。

表6 不同时期SPAD指标和蛋白质含量的拟合方程Table 6 Fitting equations of SPAD index and protein content in different periods

2.5 测试与检验

利用试验3的试验资料对SPAD衍生指标与蛋白质含量的回归方程进行检验,采用根均方差 (RMSE)、对称平均绝对百分比误差(SMAPE)、预测精度(P-k)进行定量评估。图8结果表明,SPAD(L1+L2+L3)/3在TI、T2、T3时期的P-k分别为0.04、0.15、0.04,SPADL2×L3/mean分别为0.15、0.11、0.11,SPADL1×L2×L3/mean3个时期的预测值与真实值呈现一定的线性关系,R2达到极显著水平,但其与蛋白质含量基准线(Y=X,预测值与真实值相同)偏差较远,预测精度较差,其P-k分别为0.94、0.49、0.87。TI、T2、T3时期SPAD(L1+L2+L3)/3的RMSE分别为0.07、0.07、0.11,SMAPE分别为0.71%、0.66%、1.16%, SPADL2×L3/mean的RMSE分别为0.09、0.10、0.07,SMAPE分别为0.98%、1.09%、0.75%(表7)。因此,SPAD(L1+L2+L3)/3和SPADL2×L3/mean显示出模拟值和观测值间良好的拟合关系,较指标SPADL1×L2×L3/mean监测具有较高的敏感性和稳定性,指标SPADL1×L2×L3/mean在检测过程中可以排除。

注:预测精度(P-k)为Y=X的斜率1和真实值与预测值回归方程斜率之间差的绝对值,P-k越小,预测精度越高。Note: The prediction accuracy (P-k) is the absolute value of the slope 1 of Y=X and the slope of the regression equation between the real value and the predicted value. The smaller the P-k, the higher the prediction accuracy.图8 基于SPAD(L1+L2+L3)/3 、SPADL2×L3/mean、SPADL1×L2×L3/mean的籽粒蛋白质含量真实值与预测值的1∶1关系图Fig.8 1∶1 relationship between the actual value and predicted value of grain protein content based on SPAD(L1+L2+L3)/3, SPADL2×L3/mean, SPADL1×L2×L3/mean

表7 SPAD指标的RMSE、 SMAPE值Table 7 RMSE and SMAPE values of SPAD indicators

3 讨论

3.1 水稻顶部叶片SPAD 值的动态变化特征

叶绿素是植物进行光合作用的主要化学物质,其含量的高低会直接影响作物的光合能力,而水稻对氮素的吸收、同化与运转能够影响其叶片的叶绿素含量[23]。本研究结果表明,水稻不同时期和不同叶位的SPAD值与施氮量均呈现线性关系,并且提高氮肥的投入量能够减少叶位间SPAD的差值,这与李刚华等[22]研究结果一致。SPAD叶绿素仪读数大小和植株氮素之间的关系取决于品种、施氮量及测定时期,氮肥的施用水平、施用时间等不同的田间管理措施不会改变施氮量与SPAD值的线性关系[25],却能够改变水稻冠层叶片“黑黄”出现的时间以及交替变化波动的幅度[26]。黄影华等[27]研究称不同水稻品种叶片SPAD值均随生育进程的推进表现为降低趋势,而其他研究认为水稻顶部叶片SPAD值的降低呈现的是二次动态下降,并非简单的线性降低,表现为叶片颜色“黑-黄-黑”交替[28-29]。本试验的研究结果与后者一致,即SPAD值从幼穗分化期至孕穗期下降,进入抽穗期后开始回升,随着生育期的推进,齐穗期SPAD值又开始降低。通过分析,出现SPAD值动态变化的原因可能是水稻在营养生长期顶部叶片积累了大量的氮素,氮素逐渐增加,致使叶片颜色加深,SPAD值升高,随着生育期的推进,水稻生殖生长利用前期叶片积累氮素主要进行幼穗分化,叶片颜色变浅,SPAD值降低。此后叶片持续光合,储存大量氮素,叶片可利用的氮素增加,致使叶片颜色加深,SPAD值回升[30]。水稻进入灌浆期直至成熟收获,叶片积累的氮素转移至稻米并合成蛋白质,叶片颜色越来越黄,SPAD值会显著降低,所以成熟期叶片SPAD值越低,则顶部叶片残留的氮素含量较少,说明氮素向稻米转运的较多,从而稻米中的蛋白质含量合成较多[31]。因此,叶片氮素含量与SPAD值和施氮量密切相关,叶绿素计读数在一定程度能够反映植株叶片及籽粒的氮质量分数。

3.2 SPAD值动态变化特征与蛋白质含量的关系

SPAD值动态变化很好地反映了水稻的生理代谢特征,SPAD值较大时,叶片颜色表现为深绿,植株氮素充足,此时植株体内氮代谢较强,蛋白质合成较多[26]。而SPAD值较小时,叶片的颜色表现为浅绿,则表明植株氮素不足,植株以碳代谢为主,氮代谢会衰退,此时蛋白质合成减弱但同化物积累增多[32]。所以叶片SPAD值和蛋白质含量具有密切联系,前人在籼稻[17]和其他作物中做了相关研究。王增裕等[33]发现小麦在花后第4周的周期内,籽粒含氮量与叶片含氮量的降低值表现为显著正相关关系。高飞等[34]研究表明有效预测小麦籽粒蛋白质含量的媒介是旗叶SPAD 值的递减速率。张贤等[35]发现在白三叶营养生长期内,叶片蛋白质含量与SPAD值呈正相关;在开花期内,两者之间呈负相关。王文石等[36]研究则表明黑麦草拔节期、孕穗期叶片SPAD值与其干草中粗蛋白质含量表现出显著正相关。在本研究中,利用单叶片SPAD值预测蛋白质含量受品种差异影响较大,较难实现。而衍生指标SPAD(L1+L2+L3)/3、SPADL2×L3/mean、SPADL1×L2×L3/mean均与籽粒蛋白质含量呈正相关关系,3个指标与蛋白质含量回归方程的R2均达到了极显著水平,所以利用衍生指标可有效降低品种差异带来的影响。通过对指标进一步的测试与检验,指标SPAD(L1+L2+L3)/3和SPADL2×L3/mean显示出模拟值和观测值间良好的拟合关系,并且两个指标具有较高的敏感性和稳定性。指标SPADL1×L2×L3/mean预测精度较差的原因可能是SPAD值测定的精确度易受水稻品种、生长时期和生长环境等因素的影响[37-38,28],而蛋白质受田间气候因素及环境影响会发生遗传变异[39]。因此,借助SPAD(L1+L2+L3)/3和SPADL2×L3/mean指标可有效降低品种及环境差异带来的影响,实现在选种或收获前通过顶部叶片的SPAD值预测稻米蛋白质含量的目的,达到按质收获的要求。

3.3 稻米蛋白质含量对食味值的影响

蛋白质作为稻米重要组成成分,其含量相对较低,仅占稻米的 8%左右,但对稻米食味品质有着不可忽视的作用[40]。大部分学者认为稻米蛋白质含量偏高,会造成米饭硬度变大,黏度降低,色泽变差,稻米食味值显著下降[41-42],也有学者研究发现稻米的蛋白质含量较高,其食味值不一定降低[43-44]。本研究通过分析稻米蛋白质含量和食味值的关系(图3)发现在一定范围内,稻米蛋白质含量与食味值呈线性负相关关系,这与前者的研究一致。而钱春荣等[45]指出食味值与蛋白质含量并不是简单的线性关系,这与本试验研究结果不同。关于稻米蛋白质含量对食味值的影响机理,有学者提出稻米蛋白质含量影响食味品质的原因是前者能够影响淀粉结构的合成或作用于淀粉糊化过程而产生的间接效应,如Martin等[46]、谢黎虹等[47]用蛋白酶酶解蛋白质后,发现RVA(Rapid Visco-Analyser)上升段的斜率发生变化,说明蛋白质通过水合改变淀粉的吸水量而影响米饭质地。还有研究认为如果蛋白质含量变高,会促使籽粒结构紧密,大量蛋白体填塞在淀粉体间的空隙而与淀粉紧密结合,打破蛋白质网络使淀粉糊化就需要更多的能量,同样会导致稻米淀粉糊化膨胀受到抑制[48-49],从而降低蒸煮食味品质。所以稻米蛋白质含量增高致使食味品质降低是直接效应还是蛋白质作用于淀粉而产生的间接效应,还需要更为深入的研究才能确定。